Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной Сасскинд Леонард

Слабое взаимодействие

Если вы уже устали от изучения физики элементарных частиц, это нормально. В ней слишком много сложных вещей, которые необходимо запоминать. У нас слишком много частиц, поведение которых требует описания, и нет никаких разумных предположений, откуда они все взялись. Квантовой хромодинамикой и квантовой электродинамикой вряд ли исчерпываются все части, которые составляют Стандартную модель. Всё это очень далеко от элегантной и простой физической теории, которую мы ожидали обнаружить «в основании всего». Физика элементарных частиц оказалась больше похожей на зоологию и ботанику, чем на точную науку. Но это, увы, факт, и мы не можем изменять факты.

Сейчас я расскажу ещё об одной части Стандартной модели. Эта часть известна как слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие, подобно электромагнитному и сильному, играет важную роль в объяснении нашего собственного существования, хотя причины, по которым оно так важно, на первый взгляд не очевидны, мы вернёмся к ним в последующих главах.

История слабого взаимодействия снова возвращает нас в конец XIX века, когда французский физик Антуан Анри Беккерель открыл радиоактивность. Открытие Беккереля всего на один год опередило обнаружение электрона Дж. Дж. Томсоном.

Радиоактивность принято делить на три различных типа: альфа, бета и гамма. Они соответствуют трём очень разным явлениям, только одно из которых (бета-распад) связано со слабым взаимодействием. Сегодня мы знаем, что бета-лучи из уранового образца Беккереля были на самом деле электронами, испускаемыми нейтронами ядер урана. После испускания электрона нейтрон немедленно превращается в протон.

Ни в КЭД, ни КХД нет ничего, что могло бы объяснить, как нейтрон может испустить электрон и стать протоном. Самое простое обоснование, которое, возможно, уже пришло вам в голову, – это добавить на диаграмму дополнительные вершины и включить их в наш список основных событий. В вершину будет входить исходный нейтрон, а после развилки – расходиться каждый своей дорогой протон и электрон. Но это неверное описание. Дело в том, что в этот момент на сцене появляется новый персонаж – нейтрино. Беккерель не знал, что при распаде нейтрона помимо электрона и протона появляется ещё одна частица, точнее, античастица – призрачное антинейтрино.

Нейтрино

Нейтрино похоже на электрон, но оно не имеет электрического заряда. Представьте себе, что это электрон, который потерял свои электрические свойства. В некотором смысле отношение между электроном и нейтрино аналогично отношению между протоном и нейтроном.

Что же тогда остаётс в нейтрино от электрона? Нейтрино имеет небольшую массу и… собственно, всё. Оно не излучает фотонов. Оно не испускает глюонов. Это означает, что оно не участвует ни в одном из взаимодействий, в которых участвуют электрически заряженные частицы или кварки. Нейтрино не образует сложных объектов, связываясь с другими нейтрино или частицами. Оно вообще ничего не делает. Фактически нейтрино является одиночкой, оно способно пролететь сквозь свинцовую стену толщиной в несколько световых лет как сквозь пустое пространство. Но нейтрино не полный ноль. Чтобы понять, как нейтрино участвует в нашей пьесе, следует ввести в спектакль ещё одного актёра – W-бозон.

W-бозон

Не беспокойтесь относительно значения слова «бозон». Оно просто обозначает другую частицу, аналогичную по своим свойствам фотону или глюону, но имеющую электрический заряд. W-бозон появляется в двух амплуа: положительно заряженный W-бозон и отрицательно заряженный W-бозон. Как вы догадались, они являются античастицами друг друга.

W-бозон является ключом к деятельности нейтрино. Не только кварки и электроны могут испускать W-бозоны – нейтрино тоже на это способны. Вот неполный список дел W-бозонов:

• электрон, испуская W-бозон, превращается в нейтрино;

• u-кварк, испуская W-бозон, превращается в d-кварк;

• u-кварк, испуская W-бозон, превращается в s-кварк;

• c-кварк, испуская W-бозон, превращается в s-кварк;

• t-кварк, испуская W-бозон, превращается в b-кварк;

• бозон Хиггса испускает Z-бозон…

Список можно продолжать, но он включает в себя частицы, с которыми мы познакомимся только в следующих главах.

Как я уже говорил, протоны и нейтроны не попадают в список элементарных частиц потому, что они состоят из кварков, но иногда полезно забыть о кварках и представлять нуклоны как элементарные частицы. Это потребует от нас добавить некоторые дополнительные вершины. Например, протон может испускать фотон. В действительности фотон испускает один из составляющих протон кварков, но внешне всё выглядит так, как будто это сделал протон. Аналогичным образом один из двух d-кварков внутри нейтрона может испустить W-бозон и превратиться в u-кварк, обусловив таким образом превращение нейтрона в протон. Этот процесс будет описываться вершиной, в которой нейтрон становится протоном, испуская W-бозон.

Теперь мы готовы рисовать диаграммы Фейнмана, объясняющие бета-излучение, которое обнаружил Беккерель, изучая соли урана. Диаграмма будет выглядеть практически так же, как КЭД-диаграмма, за исключением того, что в том месте, где на диаграмме КЭД должен быть обмен фотонами, у нас будет обмен W-бозонами. В действительности слабое взаимодействие очень тесно связано с электромагнитным за счёт фотонов.

Возьмите картонку с прорезанной в ней щелью, начните перемещать её над диаграммой снизу вверх. Нейтрон (который может находиться внутри ядра) испускает отрицательно заряженный W-бозон и превращается в протон. W-бозон пролетает очень малое расстояние (около 10^–16 см) и распадается на две частицы: электрон и движущееся вспять во времени нейтрино, или, на светском языке, антинейтрино. Вот что мог бы увидеть Беккерель в 1896 году, если бы имел очень мощный супермикроскоп. Позже мы увидим важность такого процесса в создании химических элементов, из которых мы состоим.

Законы Физики

Теперь, надеюсь, вы имеете чёткое представление о том, что я подразумеваю под Законами Физики. К сожалению, я не могу подобно некоторым физикам сказать вам, что эти законы элегантны. Правда состоит в том, что это не так. В этой картине слишком много частиц, слишком много вершин диаграмм и слишком много констант связи, а ведь я ещё не рассказал вам о случайном наборе масс, которыми обладают частицы. Все это образует очень неприятный коктейль, но есть одно «но»: эти законы описывают свойства элементарных частиц, ядер, атомов и молекул с невероятной точностью.

Однако цена, которую приходится платить, требует введения не менее 30 «физических констант»[29] – масс и констант связи, значения которых не имеют иного обоснования, кроме того, что они «работают». Откуда берутся эти числа? Физики не в состоянии вывести эти числа ни из тонких материй, ни из математических вычислений. Они являются результатом многих лет экспериментальных исследований элементарных частиц на ускорителях в лабораториях многих стран. Многие из этих констант, как, например, постоянная тонкой структуры, были измерены с большой точностью, но в конечном итоге, как я уже сказал, мы не понимаем, почему они такие, какие есть.

Стандартная модель является кульминацией и квинтэссенцией более чем полувековой истории развития физики элементарных частиц. В сочетании с методом фейнмановских диаграмм она даёт точные описания всех явлений в физике элементарных частиц, включая способы объединения частиц в атомные ядра, атомы, молекулы, газы, жидкости и твёрдые тела. Но она слишком сложна, чтобы служить образцом простоты, которая, как мы надеемся, будет отличительной чертой действительно фундаментальной теории – окончательной теории природы.

В отличие от человеческих законов, Законы Физики являются безусловными законами. Мы можем соблюдать закон или игнорировать его, но электрон не имеет такого выбора. Эти законы не похожи на правила дорожного движения или налоговое законодательство, которое меняется от штата к штату и от года к году. Возможно, самый важный экспериментальный факт, который вообще делает возможным изучение физики, состоит в том, что все мировые константы действительно являются константами. Эксперименты, поставленные в разное время в разных местах, описываются одними и теми же фейнмановскими диаграммами и дают одни и те же значения для каждой константы связи и массы. Когда постоянная тонкой структуры была измерена в Японии в 1990-х, она оказалась точно такой же, как и в Брукхейвенской лаборатории в Лонг-Айленде в 1950 году или в Стэнфордском университете в 1970 году.

В самом деле, когда физики проводят космологические исследования, они принимают как должное, что законы природы одинаковы повсюду во Вселенной. Но законы не обязаны быть такими. Безусловно, можно представить себе мир, в котором постоянная тонкой структуры изменяется со временем или в котором отдельные константы варьируются от одного места к другому. Время от времени физики ставят под сомнение предположение, что константы абсолютно постоянны, но пока что у нас нет ни одного свидетельства того, что они не одинаковы в любой части наблюдаемой Вселенной: не во всём гигантском Мегаверсуме, а в той части Вселенной, которую мы можем наблюдать при помощи различных типов телескопов, имеющихся в нашем распоряжении.

Когда-нибудь мы сможем достичь далёких галактик и измерить константы непосредственно на месте. Но даже сейчас мы постоянно получаем «сводки» из удалённых областей Вселенной. Астрономы ловят свет, приходящий от далёких источников, и распутывают спектральные линии, образующиеся при излучении или поглощении света далёкими атомами.[30] Отношения между отдельными спектральными линиями весьма запутанны, но они всегда одинаковы, независимо от того, где и когда возник пойманный телескопом свет. Практически любое изменение в местных Законах Физики изменило бы детали спектра, так что у нас есть убедительное свидетельство, что правила одинаковы во всех частях наблюдаемой Вселенной.